Дифференциальный компаратор
В электронике часто требуется выполнить сравнение, чтобы решить, больше напряжение сигнала, чем определенный опорный уровень, или меньше. Простейший пример – это указатель полярности, в котором роль опорного уровня при сравнении играет общая шина (земля).
В качестве компаратора, сравнивающего устройства, можно использовать любой дифференциальный усилитель. В таком применении усилитель не охватывается отрицательной обратной связью (рис. 2.16). Большой коэффициент усиления в отсутствие обратной связи в данном случае означает, что медленно изменяющееся входное напряжение Uin будет вызывать быстрые изменения выходного напряжения Uout, когда Uin достигает значения UREF. Например, Uin может быть выходным сигналом фотодетектора, от которого требуется включать свет при наступлении сумерек. Здесь значением UREF определяется момент, когда происходит включение.
Рис. 2.16. Дифференциальный компаратор: а – схема, б – характеристика
На таком ОУ общего назначения, как ИС 741, можно собрать компаратор для применения в большом числе случаев. Основной недостаток этой ИС – малая скорость нарастания выходного напряжения, при которой время переключения оказывается относительно долгим (примерно 20 мкс). Много быстрее срабатывает ИС 748, применяемая без коррекции (время переключения < 1 мкс), но это все еще слишком медленно для надежной работы многих логических схем. Другая проблема, относящаяся к сопряжению с логическими схемами, состоит в том, что полный размах выходного напряжения от UCC+ до UСС- слишком велик, и это неудобно.
ИС 311 – это готовый компаратор, специально приспособленный к тому, чтобы преодолеть эти затруднения и быть удобным в тех случаях, когда требуется сопряжение между аналоговыми и цифровыми системами. Внутри у него имеется ОУ, к выходу которого подключен транзистор, как показано на рис. 2.17. Так сконструированная схема может работать от одного источника питания, давая – при указанном на рисунке напряжении питания +5 В – скачок 0 В / +5 В, совместимый с большинством цифровых логических схем. Выход транзистора с «открытым коллектором» предусматривает включение 1-килоомного резистора в качестве коллекторной нагрузки. Типичное значение времени установления импульсного сигнала на выходе меньше 50 нс.
Рис. 2.17. Компаратор на основе ИС 311
У простой схемы с единственным источником питания (см. рис. 2.17) есть недостаток: ни Uin, ни UREF не могут иметь нулевое значение или становиться отрицательными. В противном случае работа внутреннего ОУ нарушится из-за прохождения синфазного сигнала. Исправить это можно, соединив вывод 4 (UCC-) с шиной питания -5 В, а не с землей (0 В). Тогда напряжения на обоих входах смогут колебаться в пределах, задаваемых значениями, примерно на 1 В меньшими каждого из напряжений питания. Вывод 1 остается соединенным с землей (0 В), чтобы выходной транзистор продолжал переключаться между 0 В и +5 В. При наличии этих двух источников питания на вход UREF можно подать 0 В, превратив компаратор в детектор пересечения нуля, используемый при преобразовании переменного входного сигнала в последовательность импульсов для их подсчета в дальнейшем цифровой схемой.
Максимальные напряжения питания ±18 В на выводах 8 и 4 позволяют ИС 311 работать со входными сигналами с размахом до ±17 В. На выходной транзистор можно по-прежнему независимо подавать напряжение питания +5 В, сохранив совместимость с логическими схемами. Его способность отдавать в нагрузку ток 50 мА позволяет с его помощью непосредственно переключать лампы или реле.
При работе с компараторами могут возникнуть неприятности с «дрожанием», особенно в том случае, когда в сигнале присутствует значительный шум. Вместо однократного изменения уровня выходного напряжения при достижении входным сигналом значения UREF могут иметь место быстрые колебания между логическими уровнями. При таком явлении нарушается функционирование счетчиков, и его можно избежать, вводя в характеристику компаратора гистерезис. Этот гистерезис или «люфт» возникает в результате введения неглубокой положительной обратной связи.
На рис. 2.18 представлен компаратор на ИС 311 с 50-милливольтным гистерезисом. Сигнал положительной обратной связи подается на неинвертирующий вход, и для того, чтобы коэффициент передачи цепи обратной связи был вполне определенным, а значит, и величина гистерезиса была фиксированной, необходимо подавать сигнал на этот вход от источника с малым сопротивлением. Но обычно легче не требовать малого сопротивления источника сигнала, а подавать на неинвертирующий вход опорное напряжение. В этом случае входной сигнал подается на инвертирующий вход, а характеристика становится инверсной, как показано на рис. 2.19, и демонстрирует наличие гистерезиса. Когда напряжение на выходе компаратора изменяется, за счет положительной обратной связи слегка меняется опорное напряжение, так что требуется относительно большое приращение входного сигнала, чтобы вызвать обратный перескок выходного напряжения. В схеме на рис. 2.18 ширина петли гистерезиса DU равна
, (2.8)
где UPP – величина, на которую меняется выходное напряжение при срабатывании компаратора.
Рис. 2.18. Компаратор на ИС 311 с гистерезисом
Рис. 2.19. Характеристика компаратора на ИС 311 с гистерезисом